PRINCIPIUL I al Termodinamicii

Principiul nti al termodinamicii constituie o particularizare a legii conservrii energiei la procesele n care intervine micarea termic a materiei, adic micarea dezordonat a unui numr mare de particule (atomi, molecule etc.).

Energia intern.Lucrul mecanic i cldura

Energia unui sistem termodinamic este egal cu suma tuturor energiilor particulelor componente. Energia unui sistem se msoar n raport cu un sistem de referin solidar cu sistemul termodinamic i cu originea n centrul de inerie al sistemului.

Energia total a sistemului reprezint suma dintre energia extern, compus din energia mecanic (energia cinetic i cea potential) i energia intern.

unde Ec este energia cinetica a sistemului, luat ca un ntreg, Ep este energia potentiala a sistemului, ca urmare a existenei sale ntr-un cmp de fore (de ex. gravitaional), iar U este energia intern.Prin energie interna n termodinamica se nelege energia termic, adic energia cinetic a moleculelor aflate ntr-o continu micare dezordonat (ntr-un sistem de referin fa de care sistemul macroscopic este n repaus) i energia potenial datorit interaciunii dintre molecule. ntr-un gaz perfect aflat n repaus energia intern este suma dintre energiile interne ale moleculelor, micrii lor de rotaie, vibraie, etc. n termodinamic se face abstracie de alte forme de energie intern, ca energia chimic, nuclear etc.Energia intern se noteaz de obicei cu U i este o funcie de stare n sensul ca fiecrei stri a sistemului i corespunde o valoare bine determinat a energiei interne. Ea face parte din categoria parametrilor macroscopici la fel ca temperatura , volumul sau presiunea.Ca urmare a interaciunii dintre sistemul fizic i mediul exterior poate avea loc un transfer de energie. Acest transfer de energie se poate face cu sau fr variaia parametrilor externi. n cazul n care interaciunea are loc cu variaia parametrilor externi, avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o aciune mecanic iar energia transportat se numete lucru mecanic. Un proces de interaciune are loc i n alte situaii cnd parametrii externi care variaz sunt inducia electric, inducia magnetic etc. Daca interaciunea are loc fr variaia parametrilor externi, transmiterea energiei se numete schimb de cldur, iar energia transmis se numete cldur. Rezult c dei lucrul mecanic i cldura au dimensiunile unei energii, ele nu sunt forme de energie, ci forme de schimb de energie i nu sunt echivalente. Lucrul mecanic este o forma macrofizic (ordonat) de transmitere a energiei de la un sistem la altul, n timp ce cldura este o forma microfizic (neordonat) de transmitere a energiei.Formularea primului principiu al termodinamiciiPrimul principiu al termodinamicii a fost o form precursoare legii conservrii energiei la procesele n care intervine micarea termic a materiei. Acest principiu a fost enunat pentru prima dat de ctre R.J. Mayer n 1842. La baza enunului su a stat observaia experimental c lucrul mecanic se poate transforma n cldur i invers.Transformri ale lucrului mecanic n cldur se ntlnesc n toate fenomenele de frecare ntre corpuri, la comprimarea i dilatarea gazelor, la transformarea lucrului mecanic n energie electric i apoi n cldur prin efect Joule etc. Transformarea direct a cldurii n lucru mecanic se realizeaz prin intermediul masinilor termice. Dac se consider un sistem adiabatic, adic ntre sistem i mediul nconjurtor s nu aib loc schimb de cldur, atunci starea unui astfel de sistem se poate schimba prin efectuarea unui lucru mecanic asupra sa de ctre mediul nconjurtor i invers. n acest caz primul principiu poate fi scris sub forma:

Dac se consider schimbarea strii unui sistem neadiabatic atunci, n general, lucrul mecanic efectuat asupra sistemului nu va fi egal cu variaia energiei sale interne. n acest caz are loc i un schimb de cldur ntre sistem i mediul nconjurtor, astfel nct primul principiu al termodinamicii (care exprim legea conservrii energiei) se exprim prin relaia:

sau

Din aceast relaie rezult c variaia energiei interne a sistemului este egal cu diferena dintre cantitatea de cldur schimbat de sistem cu mediul nconjurtor i lucrul mecanic efectuat asupra sistemului (sau de ctre sistem ctre exterior). Pentru schimbrile infinitezimale, primul principiu se scrie sub forma:

n cadrul calculelor se face urmtoarea convenie: cldura este pozitiva dac este primit de sistem din exterior i negativa dac este cedat de sistem exteriorului; lucrul mecanic este pozitiv dac este efectuat de sistem asupra exteriorului i negativ dac este efectuat de exterior asupra sistemului. Aceast convenie este, ca orice convenie, arbitrar i la locul ei poate fi aleas o alta. Forma descris permite ca la mainile termice motoare mrimile care definesc randamentul termic s aib valori pozitive.O consecin a primului principiu este aceea c este imposibil s funcioneze un perpetuum mobile de spea nti (prin perpetuum mobile de spea nti se nelege un sistem termodinamic capabil s furnizeze lucru mecanic exteriorului fr a primi o energie echivalent sub form de cldur din exterior). S considerm n acest scop un sistem ce sufer o transformare ciclic, adic o transformare n care starea final coincide cu starea iniial. Energia intern fiind o mrime de stare, variaia ei ntr-o astfel de transformare este nul, ceea ce conduce la:

sau

ceea ce n conformitate cu convenia stabilit impune ca sistemul s primeasc cldura de la exterior pentru a putea efectua lucrul mecanic asupra acestuia.